Een belangrijk element van de mobiliteit van elektronische apparaten is de oplaadbare batterij (ACB). Toenemende eisen om hun langste autonomie te garanderen, stimuleren continu onderzoek op dit gebied en leiden tot de opkomst van nieuwe technologische oplossingen.
De veelgebruikte nikkel-cadmium (Ni-Cd) en nikkel-metaalhydride (Ni-MH) batterijen hebben een alternatief: eerst lithiumbatterijen en daarna meer geavanceerde lithium-ionbatterijen (Li-ion).
Inhoud
Geschiedenis van het uiterlijk
De eerste dergelijke batterijen verschenen in de jaren 70. laatste eeuw. Ze wonnen onmiddellijk aan de vraag vanwege meer geavanceerde kenmerken. De anode van de elementen was gemaakt van metallisch lithium, waarvan de eigenschappen het mogelijk maakten om de specifieke energie te verhogen. Dit is hoe lithiumbatterijen zijn geboren.
De nieuwe batterijen hadden een belangrijk nadeel: een verhoogd risico op ontploffing en ontsteking.De reden lag in de vorming van een lithiumfilm op het elektrodeoppervlak, wat leidde tot een schending van de temperatuurstabiliteit. Op het moment van maximale belasting kan de batterij exploderen.
De verfijning van de technologie heeft ertoe geleid dat het gebruik van puur lithium in batterijcomponenten is afgeschaft ten gunste van het gebruik van de positief geladen ionen. De lithium-ionbatterij bleek een goede oplossing.
Dit type ionenbatterij wordt gekenmerkt door een hogere veiligheid, die wordt verkregen ten koste van een lichte afname van de energiedichtheid, maar constante technologische vooruitgang heeft het mogelijk gemaakt om het verlies in deze indicator tot een minimum te beperken.
Apparaat
De introductie van lithium-ionbatterijen in de consumentenelektronica-industrie kreeg een doorbraak na de ontwikkeling van een batterij met een koolstofmateriaal (grafiet) kathode en een kobaltoxide-anode.
Tijdens het ontladen van de batterij worden lithiumionen verwijderd uit het kathodemateriaal en opgenomen in het kobaltoxide van de tegenoverliggende elektrode; tijdens het opladen verloopt het proces in de tegenovergestelde richting. Zo creëren lithiumionen een elektrische stroom, die van de ene elektrode naar de andere gaat.
Li-Ion-batterijen worden geproduceerd in cilindrische en prismatische versies. In een cilindrische structuur worden twee linten van platte elektroden, gescheiden door een met elektrolyt geïmpregneerd materiaal, opgerold en in een afgesloten metalen behuizing geplaatst. Het kathodemateriaal wordt op aluminiumfolie afgezet en het anodemateriaal op koperfolie.
Een prismatisch batterijontwerp wordt verkregen door rechthoekige platen op elkaar te stapelen. Deze vorm van de batterij maakt het mogelijk om de lay-out van het elektronische apparaat compacter te maken. Prismatische batterijen met opgerolde elektroden die in een spiraal zijn gedraaid, worden ook geproduceerd.
Bediening en levensduur
Een lange, volledige en veilige werking van lithium-ionbatterijen is mogelijk als de bedieningsregels worden nageleefd. Het negeren ervan zal niet alleen de levensduur van het product verkorten, maar kan ook negatieve gevolgen hebben.
Exploitatie
De belangrijkste vereiste voor de werking van Li-Ion-batterijen betreft temperatuur - oververhitting mag niet worden toegestaan. Hoge temperaturen kunnen maximale schade aanrichten en de oorzaak van oververhitting kan zowel een externe bron zijn als stressvolle manieren van opladen en ontladen van de batterij.
Verwarmen tot 45°C leidt bijvoorbeeld tot een afname van het vermogen om een batterijlading 2 keer vast te houden. Deze temperatuur wordt gemakkelijk bereikt wanneer het apparaat lange tijd aan de zon wordt blootgesteld of bij energie-intensieve toepassingen.
Als het product oververhit raakt, wordt aanbevolen om het op een koele plaats te plaatsen, het is beter om het uit te schakelen en de batterij te verwijderen.
Voor de beste batterijprestaties in de zomerse hitte, moet u de energiebesparende modus gebruiken, die beschikbaar is op de meeste mobiele apparaten.
Lage temperaturen hebben ook een negatief effect op ion-accu's; bij temperaturen onder de -4°C kan de accu niet meer vol vermogen leveren.
Maar kou is niet zo schadelijk voor Li-Ion-batterijen als hoge temperaturen en veroorzaakt meestal geen blijvende schade. Ondanks het feit dat na het opwarmen tot kamertemperatuur de werkingseigenschappen van de batterij volledig zijn hersteld, moet u de capaciteitsvermindering in de kou niet vergeten.
Een andere aanbeveling voor het gebruik van Li-Ion-accu's is om te voorkomen dat ze diep ontladen. Veel batterijen van de oudere generatie hadden een geheugeneffect waardoor ze tot nul moesten worden ontladen en vervolgens volledig moesten worden opgeladen.Li-Ion-batterijen hebben dit effect niet en geïsoleerde gevallen van volledige ontlading leiden niet tot negatieve gevolgen, maar constante diepe ontlading is schadelijk. Het wordt aanbevolen om de oplader aan te sluiten wanneer het laadniveau 30% is.
Levenslang
Onjuist gebruik van Li-Ion-batterijen kan hun levensduur met 10-12 keer verkorten. Deze periode is direct afhankelijk van het aantal laadcycli. Er wordt aangenomen dat Li-Ion-batterijen 500 tot 1000 cycli kunnen weerstaan, rekening houdend met volledige ontlading. Een hoger percentage resterende lading voordat de volgende lading wordt opgeladen, verlengt de levensduur van de batterij aanzienlijk.
Aangezien de levensduur van Li-Ion-batterijen grotendeels wordt bepaald door de bedrijfsomstandigheden, is het onmogelijk om een exacte levensduur van deze batterijen te geven. Gemiddeld kan een batterij van dit type naar verwachting 7-10 jaar meegaan als de vereiste voorschriften worden gevolgd.
Oplaadproces
Vermijd tijdens het opladen een te lange aansluiting van de batterij op de oplader. De normale werking van een lithium-ionbatterij vindt plaats bij een spanning van maximaal 3,6 V. Laders leveren tijdens het opladen 4,2 V aan de batterij-ingang. Als de oplaadtijd wordt overschreden, kunnen ongewenste elektrochemische reacties in de batterij beginnen, wat kan leiden tot oververhitting met alle gevolgen van dien.
De ontwikkelaars hebben met een dergelijke functie rekening gehouden - de veiligheid van het opladen van moderne Li-Ion-batterijen wordt geregeld door een speciaal ingebouwd apparaat dat het laadproces stopt wanneer de spanning boven het toegestane niveau komt.
Voor lithiumbatterijen is de tweetraps oplaadmethode correct.In de eerste fase moet de batterij worden opgeladen, waardoor een constante laadstroom wordt geleverd, de tweede fase moet worden uitgevoerd met een constante spanning en een geleidelijke afname van de laadstroom. Een dergelijk algoritme is in de meeste huishoudelijke opladers in hardware geïmplementeerd.
Opslag en verwijdering
Een lithium-ion accu kan lang worden bewaard, zelfontlading is 10-20% per jaar. Maar tegelijkertijd treedt een geleidelijke afname van de kenmerken van het product (afbraak) op.
Het wordt aanbevolen om dergelijke batterijen op een tegen vocht beschermde plaats te bewaren, bij een temperatuur van +5 ... + 25 ° С. Sterke trillingen, schokken en de nabijheid van open vuur zijn onaanvaardbaar.
Het proces van recycling van lithium-ioncellen moet worden uitgevoerd bij gespecialiseerde bedrijven die over de juiste licentie beschikken. Ongeveer 80% van de materialen van gerecyclede batterijen kan worden hergebruikt bij de vervaardiging van nieuwe batterijen.
Veiligheid
Een lithium-ionbatterij, zelfs van een miniatuurformaat, brengt het risico van explosieve zelfontbranding met zich mee. Dit kenmerk van dit type batterij vereist naleving van veiligheidsmaatregelen in alle stadia, van ontwikkeling tot productie en opslag.
Om de veiligheid van Li-Ion-batterijen tijdens de fabricage te verbeteren, wordt een klein elektronisch bord in hun behuizing geplaatst - een bewakings- en controlesysteem dat is ontworpen om overbelasting en oververhitting te elimineren. Een elektronisch mechanisme verhoogt de weerstand van het circuit wanneer de temperatuur boven een vooraf bepaalde limiet stijgt. Sommige batterijmodellen hebben een ingebouwde mechanische schakelaar die het circuit verbreekt wanneer de druk in de batterij stijgt.
Ook wordt er vaak een veiligheidsklep geïnstalleerd in batterijbehuizingen om de druk te ontlasten in geval van nood.
Voor- en nadelen van lithiumbatterijen
De voordelen van dit type batterij zijn:
- hoge energiedichtheid;
- geen geheugeneffect;
- lange levensduur;
- lage zelfontlading;
- geen onderhoud nodig;
- zorgen voor constante bedrijfsparameters over een relatief breed temperatuurbereik.
Het heeft een lithium batterij en nadelen, deze zijn:
- risico op zelfontbranding;
- hogere kosten dan zijn voorgangers;
- de behoefte aan een ingebouwde controller;
- onwenselijkheid van diepe ontlading.
Technologieën voor de productie van Li-Ion-batterijen worden voortdurend verbeterd, veel tekortkomingen behoren stilaan tot het verleden.
Toepassingsgebied
De hoge energiedichtheid van lithium-ionbatterijen bepaalt hun belangrijkste toepassingsgebied - mobiele elektronische apparaten: laptops, tablets, smartphones, videocamera's, camera's, navigatiesystemen, verschillende ingebouwde sensoren en een aantal andere producten.
Door het bestaan van een cilindrische vormfactor van deze batterijen kunnen ze worden gebruikt in zaklampen, vaste telefoons en andere apparaten die voorheen stroom verbruikten van wegwerpbatterijen.
Het lithium-ion-principe van het bouwen van een batterij kent verschillende varianten, de typen verschillen in het type gebruikte materialen (lithium-kobalt, lithium-mangaan, lithium-nikkel-mangaan-kobalt-oxide, enz.). Elk van hen heeft zijn eigen reikwijdte.
Naast mobiele elektronica wordt een groep lithium-ionbatterijen gebruikt op de volgende gebieden:
- hand-held elektrisch gereedschap;
- draagbare medische apparatuur;
- ononderbroken stroomvoorziening;
- beveiligingssystemen;
- noodverlichtingsmodules;
- zonne-energie stations;
- elektrische voertuigen en elektrische fietsen.
Gezien de constante verbetering van lithium-iontechnologie en het succes bij het maken van batterijen met hoge capaciteit met kleine afmetingen, is het mogelijk om de uitbreiding van toepassingen voor dergelijke batterijen te voorspellen.
Markering
De parameters van lithium-ionbatterijen zijn op de behuizing van het product gedrukt, terwijl de gebruikte codering voor verschillende formaten aanzienlijk kan verschillen. Er is nog geen enkele standaard voor het labelen van batterijen voor alle fabrikanten ontwikkeld, maar het is nog steeds mogelijk om de belangrijkste parameters zelf te achterhalen.
De letters in de markeringslijn geven het type cel en de gebruikte materialen aan: de eerste letter I betekent lithium-iontechnologie, de volgende letter (C, M, F of N) geeft de chemische samenstelling aan, de derde letter R betekent dat de cel is oplaadbaar (oplaadbaar).
De cijfers in de maatnaam geven de grootte van de batterij aan in millimeters: de eerste twee cijfers zijn de diameter en de andere twee zijn de lengte. 18650 geeft bijvoorbeeld een diameter van 18 mm en een lengte van 65 mm aan, 0 geeft een cilindrische vormfactor aan.
De laatste letters en cijfers in de serie zijn de containermarkeringen die specifiek zijn voor elke fabrikant. Er zijn ook geen uniforme normen voor het aangeven van de fabricagedatum.
